作者:杨元喜 任夏 来源:中国科学报微信公号 发布时间:2021/8/22 10:35:02
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杨元喜院士等详述:运行一周年,是什么让北斗闪耀全球?

 

自2020年7月31日,北斗全球卫星导航系统(北斗三号)正式向全球用户提供导航、定位和授时(PNT)服务,至今已稳定运行一年有余。

根据国际监测评估中心的评估结果,北斗三号单频定位精度优于6米,其中水平方向优于3m,高程方向优于5m,授时精度优于14.7ns,远优于系统设计指标。

高精度的PNT服务是一流卫星导航系统的重要标志,然而,特色的设计和特色的服务才是让北斗系统耀眼全球的最大亮点。

具备六大特色功能

北斗卫星导航系统不仅可以提供基本PNT服务,还具备六大特色功能,即基于地球静止轨道(GEO)卫星的四大特色服务和基于中圆地球轨道(MEO)卫星的两大特色服务。

北斗GEO卫星主要提供无线电测定(RDSS)、区域短报文通信(RSMC)、星基精密单点定位(B2b-PPP)和星基增强(BDSBAS)四类区域服务;北斗MEO星座可覆盖全球,主要提供全球短报文通信(GSMC)和国际搜救(MEOSAR)服务。

RDSS服务属于有源定位,是用户获取PNT信息的另一种方式。RDSS用户需要主动发送定位请求,并向两颗GEO卫星发送测距信号;主控站收到请求后,根据测距信息和地面高程数据,即可求得用户的位置信息并发送给用户。

北斗三号的广义RDSS定位模式,是指用户利用上行链路向运控中心发送观测信息(包括对GEO、IGSO和MEO的观测),运控中心利用卫星精密轨道和钟差计算用户位置,完成用户的快速定位。

这种广义RDSS定位不仅有利于群组用户间的位置交互,其安全性、传输速率以及定位精度与北斗二号相比均有显著提升。

此外,用户也可以在RNSS和广义RDSS服务之间进行自由切换。运行一年来,RDSS服务性能得到全面验证,所有性能均满足设计指标。

RSMC是沿袭自北斗一号和北斗二号的另一项特色功能,其服务区域为东经50度至160度,北纬0度至60度。

根据需要,服务区内的用户不仅可以进行点对点通信(点播模式),同一编组内的用户(不超过127个)还可进行群内信息交互(组播模式),上级用户也可对多个下属用户进行消息广播(通播模式)。

运行一年来的试验与验证充分证明,RSMC单次通信最多可发送1000个汉字,实测点播成功率大于99.9%,通播成功率大于97.7%,优于设计指标(成功率大于95%)。

星基增强系统(SBAS)是为民航安全飞行与精密进近提供的具有健康安全性质指标的服务。

与国家星基增强系统不同,BDSBAS服务嵌入北斗系统,是北斗系统服务的一部分。

BDSBAS通过BDSBAS-B1C和BDSBAS-B2b信号向中国及周边地区提供增强信息,实现对标准导航定位服务精度的改进和提升。

BDSBAS服务不仅满足国际民航组织(ICAO)标准,而且具备四大系统(BDS、GPS、Galileo和GLONASS)的单频和双频多星座增强能力。

运行一年来,测试与试运行结果表明,BDSBAS定位精度在水平方向优于1.5m,高程方向优于2.0m,满足民航飞机精密进近等要求。

精度达厘米级

北斗三号将国际GNSS服务中心提供的精密单点定位服务内容嵌入北斗GEO卫星,简称B2b-PPP。

B2b-PPP服务直接由北斗三号的GEO卫星发送精密轨道和精密卫星钟差改正数,无需Internet支持,于是,既使用户身处沙漠、戈壁、海上等无Internet网络的地区,也可以获得北斗系统的GEO卫星提供的B2b-PPP服务。

运行一年来,B2b-PPP定位精度可达厘米级,收敛时间一般在30min内。

北斗全球短报文(GSMC)功能可实现全球地面及以上1000km范围内任意两个用户间的通信。

用户发出的信息只要被任何一个搭载有短报文载荷的MEO卫星接收,即可通过星间链路在星座内“接力”传递,发送给另一用户。

一年来的用户使用结果表明,单次短报文可发送40个汉字,信息一旦发出,系统会在1min内作出响应,成功率优于95%。

北斗MEO卫星提供的国际搜救(MEOSAR)服务功能满足国际海事组织相关标准,但是北斗系统的MEOSAR还特别设计了返向链路,即求救信息发出后,系统会在2min钟内通过返向链路向呼救者确认,可以起到稳定呼救者情绪,避免重复呼救的作用。

经过一年来的运行服务,搜救信息的落地成功率优于99%,超出国际海事组织项标准要求。若与北斗的RNSS定位、短报文通信功能相结合,搜救精度可达到米级,可显著提升搜救效率。

推广应用至各行各业

如今,北斗PNT服务已深入人们工作、生活的方方面面,在无人驾驶、电力输送、灾害监测、智慧牧业、精密农业、新冠疫情防控等领域发挥了重要的支撑作用,已推广应用至120个国家。

随着北斗系统功能的完善,特色功能和服务可以唤起人们对北斗应用更丰富的想象。

北斗短报文服务和B2b-PPP嵌入各类灾害监测系统,可以进行高精度监测和告警,实现偏远地区,尤其是无网络覆盖地区无人值守的灾害实时预警。

短报文和定位服务嵌入车辆、渔船等平台,可在用户遇险时及时发送求救信息并报告精确位置,提高沙漠、海上等特殊环境下的救援成功率。

5G+北斗的融合模式,可确保城市、室内等环境下定位的可用性,助力智慧城市建设。

可见,北斗的创新设计和特色功能不仅提升了北斗系统的服务性能,拓展了服务功能,而且显著提升了北斗系统的全球竞争力。

相信在不久的将来,特色的功能和服务会为北斗赢得更广阔的应用市场。

(杨元喜系中国科学院院士、北斗导航系统副总工程师;任夏系西安测绘研究所助理研究员)

 
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